DE2939772A1

DE2939772A1 - Verfahren zur gewinnung von in wasser geloestem nutzgas sowie eine vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2939772A1
Application number: DE19792939772
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 6682 Ottweiler Müller
Original assignee: Saarbergwerke AG
Current assignee: Saarbergwerke AG
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1979-10-01
Publication date: 1981-05-27

Description

Verfahren zur Gewinnung von in Wasser gelöstem Nutzgas sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von in Wasser gelöstem Nutzgas, insbesondere von Methan, das auf dem Grund eines Gewässers durch bakterielle Zersetzung von organischen Sinkstoffen entstanden ist, sowie auf eine Vorrichtung zur Druchführung des Verfahrens.
Bekanntlich entsteht auf dem Grund von stehenden Gewässern durch bakterielle Zersetzung von organischen Sinkstoffen Methangas. Aufgrund wissenschaftlicher Untersuchungen wurde ermittelt, daß durch die bakterielle Zersetzung organischer Sinkstoffe auf dem Boden bestimmter Gewässer Methangas in so großen Mengen entsteht, daß sich eine Gewinnung des Methans aus dem Gewässer wirtschaftlich lohnt.
Man hat bereits versucht, Methan aus in einer Tiefe von 250 bis 450 m befindlichem, unter entsprechend hohem Druck stehendem Wasser durch Autopompage zu gewinnen. Nachteilig ist, daß die Menge des aus der Tiefe geförderten gashaltigen Wassers nicht regelbar ist. Eine Drosselung des durch die Steigleitung strömenden gashaltigen Wassers bringt den Pumpvorgang zum Erliegen, so daß dieser durch Einblasen von Luft in die Steigleitung wieder angefacht werden muß. Die eingeblasene Luft wiederum verbindet sich mit dem freiwerdenden Methangas zu einem explosiven Gemisch, das nicht genutzt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß über dem Grund befindliches, unter Druck stehendes gashaltiges Wasser auf einen vorgebbaren Druck entspannt wird und daß das aus dem entspannten Wasser entweichende Methan aufgefangen wird.
Gegenüber dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß eine große Menge von gashaltigem Wasser gefördert werden kann und eine Drosselung der geförderten Methangasmenge möglich ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Gewässeroberfläche ein Entspannungsbehälter vorgesehen ist, dessen Steigleitung bis zu einem vorgebbaren Punkt über dem Grund des Gewässers führt, daß in der Steigleitung ein elektrisch steuerbares Wassereinlaßventil vorgesehen ist, mittels dessen die durch die Steigleitung nachströmende Wassermenge verstellbar ist, daß im Entspannungsbehälter eine Pumpe installiert ist, mittels der das entgaste Wasser aus dem Entspan.
nungsbehälter abgepumpt wird und daß eine Gasauslaßleitung mit einem elektrisch steuerbaren Gasauslaßschieber vorgesehen ist.
Das entgaste Wasser wird über eine zweite Leitung aus dem Entspannungsbehälter abgepumpt und zurück in das Gewässer gefördert.
Der Gasdruck im Innern des Entspannungsbehälters wird durch einen Druckregelkreis auf einem vorgebbaren Wert gehalten. Verringert sich z.B. der Methangehalt des Nutzgases, weil bei zu geringem Gasdruck auch C02 frei wird, so wird der Druck auf einen Wert von 4 bis 6 bar erhöht, bei dem nur Methan, jedoch wenig C02 aus dem Wasser entweicht. Der Druckregelkreis umfaßt als Stellglied den Gasauslaßschieber und/oder das Wassereinlaßventil.
Der Entgasungsbehälter wird im wesentlichen unterhalb der Wasseroberfläche auf einer künstlichen Insel oder einem fest verankerten Schiff angeordnet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Entspannungsbehälter in Ufernähe oder am Ufer vorzusehen und eine entsprechend lange Steigleitung zum Boden des Gewässers zu führen.
Ferner besteht die Möglichkeit, zwei oder mehrere Entspannungsbehälter nahe beieinanderstehend oder über die Oberfläche des Sees verteilt vorzusehen und auf diese Weise im Parallelbetrieb die Methangewinnung zu vervielfachen.
Das entgaste Wasser wird aus dem Entspannungsbehälter über eine Leitung in eine bestimmte Tiefe des Gewässers zurückgepumpt, um das hydrologisch-biologische Gleichgewicht des Gewässers nicht zu verändern.
Die Erfindung wird anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels anhand einer Förderung im Lac Kivu in Zaire (Afrika) näher erläutert.
Dieser See weist bis zu einer Tiefe von 250 m einen Salzgehalt von 1 gil auf, unterhalb der dort befindlichen Temperatur-Inversionsschicht steigt der Salzgehalt bis zur größten Tiefe von ca. 450 m auf 4 g/l; in 250 m Tiefe unterhalb der Inversionsschicht beträgt der Methangehalt 0,32 1 pro 1 Wasser und steigt an bis zu einem Wert von 0,48 1 Methan/l Wasser. Das Methanvorkommen wird auf ca.
57 Milliarden m3 Methan geschätzt. Jährlich kommen etwa 2 S dieser Mengen durch bakterielle Zersetzung hinzu.
In der Zeichnung ist ein Entspannungsbehälter 1 gezeigt, in den über eine Steigleitung 2 Wasser vom Grund des Gewässers angesaugt wird. Ferner ist ein elektrisch steuerbares Wassereinlaßventil 4 in der Steigleitung 2 vorgesehen, mit dem der WasserzufluO aus der Tiefe des Gewässers gesteuert bzw. geregelt oder im Störungsfall unterbrochen werden kann.
Ferner ist eine Leitung 5 zur Ableitung des entgasten Wassers vorgesehen, über die dieses Wasser in das Gewässer mit Hilfe einer im Entspannungsbehälter 1 befindlichen Pumpe 6 und/oder mit einer außerhalb des Entspannungsbehälters 1 liegenden Pumpe 7 zurückgefördert wird. Am oberen Teil des Entspannungsbehälters 1 ist eine Gasauslaßleitung 8 vorgesehen, über die das gewonnene Methan in einen (nicht gezeigten) Vorratsbehälter ausströmen kann. Ein Gasauslaßschieber 9 beeinflußt die Menge des ausströmenden Gases und zugleich den Gasdruck im Innern des Entspannungsbehälters 1.
In diesem Gasraum des Entspannungsbehälters 1 befindet sich eine Sonde 10, mit der der Methangasgehalt oder der CO 2-Gehalt des Nutzgases gemessen und registriert werden kann. Der erhaltene Meßwert wird dazu benutzt, um über einen Druckregelkreis 11 den Gasdruck im Entspannungsbehälter 1 zu regeln.
Das Verfahren und die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens arbeiten wie folgt: Ober die~Steigleitung 2 wird gashaltiges Wasser aus einer Tiefe von gewöhnlich etwa 50 bis 60 m über Grund des Gewässers in den Entspannungsbehälter 1 gesaugt. Auf diese Weise wird es vermieden, auch den Faulschlamm vom Grund des Gewässers zu fördern. Das angesaugte Wasser hat in der Steigleitung 2 eine Geschwindigkeit von ca.
6 m/sec. oder mehr, so daß die Gewinnung des Methangases erst im Entspannungsbehälter 1 erfolgt. Das im Wasser gelöste Methangas wird im Entspannungsbehälter 1 bei 5 bis 6 bar gewonnen und sammelt sich im Gasraum oberhalb des Wasserspiegels des Entspannungsbehälters 1. Um zu vermeiden, daß auch das im Wasser gelöste C02 frei wird, sollte nach Möglichkeit vermieden werden, daß der Druck im Gasraum unter 5 bis 6 bar sinkt. Der Gasdruck im Gasraum des Entspsnnungsbehälters 1 wird in der Weise geregelt, daß ein Meßfühler 10 den Methangasgehalt im Gasraum mißt, anzeigt und den Meßwert einem Regelkreis 11 zuführt.
Sinkt der Druck im Gasraum auf tiefe Werte ab, so wird das ebenfalls im Wasser gelöste C02-Gas frei; der Methangehalt des gewonnenen Nutzgases verringert sich entsprechend. Der Druck im Gasraum wird durch den Druckregelkreis 11 auf Werte über 5 bis 6 bar erhöht, damit weniger C02 freigesetzt wird. Die Druckregulierung erfolgt in der Regel mit Hilfe eines Gasdruckschiebers 9 am Gasauslaß 8 des Entspannungsbrhälters 1, der von Hand, aber auch pneumatisch oder elektrisch über einen Regelkreis verstellt werden kann. Auf diese Weise erfolgt eine optimale Ausscheidung von Methan, wobei gleichzeitig der größte Teil des Kohlendioxids im Wasser gelöst wird. Eine Druckregelung kann zusätzlich auch über das elektrisch steuerbare Wassereinlaßventil 4 in der Steigleitung 2 erfolgen. Mit Hilfe des Wassereinlaßventils 4 kann auch die angesaugte Wassermenge so reguliert werden, daß die gewonnene Methangasmenge einem wechselnden Bedarf angepaßt ist.
Bei einem Durchmesser des Ansaugrohrs von 300 bis 400 mm und einem Durchmesser des Entspannungsbehälters 1 von 2 bis 5 m bei einer Höhe von 50 bis 60 m können 20.000 bis 30.000 m3 Methan pro Tag gefördert werden. Die räumliche Ausbildung des Entspannungsbehälters 1 ist zweckmäßigerweise zylindrisch, kann aber auch kugelförmig, kubisch oder von beliebiger Gestalt sein.
Das entgaste Wasser wird entweder über eine innenliegende Pumpe 6 oder eine außenliegende Pumpe 7 über die Leitung 5 aus dem Entspannungsbehälter 1 in den See zurückgefördert; um das ökologische Gleichgewicht des Gewässers nicht zu stören, wird das entgaste Wasser in eine Tiefe von 6G bis 80 m unter der Wasseroberfläche zurückgeleitet.
Der Entspannungsbehälter 1 kann auf einer künstlichen Insel oder auf Stelzen im Gewässer angeordnet sein bzw. an einem fest verankerten Schiff auf der Seeoberfläche befestigt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Entspannungsbehälter 1 am Ufer, tiefer als die Oberfläche des Gewässers, anzuordnen und eine entsprechend lange Steigleitung zur Förderung des gashaltigen Wassers vorzusehen.
Zur besseren Ausnutzung des Methangasgehaltes im Wasser können mehrere Entspannungsbehälter 1 über die Fläche des Gewässers verteilt angeordnet werden. Es ist auch möglich, mehrere Entspannungsbehälter nebeneinander anzuordnen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel, sondern umfaßt z.B. auch Ausführungsformen, bei denen das gashaltige Wasser über eine oder mehrere in der Steigleitung angeordnete Pumpen in den Entspannungsbehälter gefördert wird.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von in Wasser gelöstem Nutzgas sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Patentansprüche: 1. Verfahren zur Gewinnung von in Wasser gelöstem Nutzgas, insbesondere von Methan, das auf dem Grund eines Gewässers durch bekterielle Zersetzung von organischen Sinkstoffen entstanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Grund befindliches, unter Druck stehendes gashaltiges Wasser auf einen vorgebbaren Druck entspannt wird und daß das aus dem entspannten Wasser entweichende Methan aufgefangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das entgaste Wasser mittels einer Pumpe aus einem an der Oberfläche des Gewässers befindlichen Entspannungsbehälters abgepumpt wird und das gashaltige Wasser über ein Steigrohr mit hoher Geschwindigkeit in den Entspannungsbehälter aufsteigt, wobei es in diesem auf einen vorgebharen Druck entspannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck im Entspannungsbehälter mittels eines Druckregelkreises auf einem vorgebbaren Wert gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Methangehalt des aus dem entspannten Wasser entweichenden Nutzgases gemessen wird und daß bei einem zu großen Absinken des Methangasgehaltes der Gasdruck im Entspannungsbe hälter über den Gasdruckregelkreis erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der CO Gehalt des Gases gemessen wird und daß bei einem zu großen CO2-Anteil der Druck im Entspannungsbehälter erhöht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck im Entspannungsbehälter über den Gasauslaßschieber als Stellglied geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck im Entspannungsbehälter über den Wassereinlaßschieber als Stellglied geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das entspannte, gasarme Restwasser über eine Leitung zu einem Punkt in vorgebbarer Tiefe des Gewässers zurückgeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem störungsbedingten Abschalten der Pumpe der Wassereinlaßschieber selbsttätig über eine Sicherheits-Steuereinrichtung geschlossen wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß an der Gewässeroberfläche ein Entspannungsbehälter (1) vorgesehen ist, dessen Steigleitung (2) bis zu einem vorgebbaren Punkt über dem Grund des Gewässers führt, daß in der Steigleitung (2) ein elektrisch steuerbares Wassereinlaßventil (4) vorgesehen ist, mittels dessen die durch die Steigleitung (2) nachströmende Wassermenge verstellbar ist, daß im Entspannungsbehälter (1) eine Pumpe (6 bzw. 7) installiert ist, mittels der das entgaste Wasser aus dem Entspannungsbehälter (1 abgepumpt wird und daß eine Gasauslaßleitung (8) mit einem elektrisch steuerbaren Gasauslaßschieber (9) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (6) im Innern des Entspannungsbehälters (1) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (7) zum Ableiten des entgasten Wassers außerhalb des Entspannungsbehälters (1) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daB in der Leitung (5) für die Ableitung des entgasten Wassers ein Rückschlagventil (10) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumpe (6 bzw. 7) zum Ableiten des entgasten Wassers eine seewasserfeste Unterwasser-Kreiselpumpe vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das entgaste Wasser in eine vorgebbare Tiefe in das Gewässer zurückgepumpt wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckregelkreis (11) vorgesehen ist, mittels dessen der Gasdruck oberhalb des Wasserspiegels im Entspannungsbehälter (1) auf einen vorgebbaren Wert einstellbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasraum oberhalb des Wasserspiegels im Entspannungsbehälter (1) ein Sonde (10) vorgesehen ist, mittels der der Methangehalt des freigewordenen Nutzgases meßbar und registrierbar ist, wobei der Meßwert zur Gasdruckregelung für den Gasdruckregelkreis (11) dient.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied für den Druckregelkreis (11) der Gasauslaßschieber (9) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied für den Druckregelkreis (11) das Wassereinlaßventil (4) in der Steigleitung (2) vorgesehen ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Entspannungsbehälter (1) eine Sonde (10) zur Messung des C02-Gehaltes vorgesehen ist und daß der Meßwert des C02-Meßgerätes dem Druckregelkreis (11) zur Regelung des Gasdrucks im Entspannungsbehälter (1) dient.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sicherheits-Steuereinrichtung (3) vorgesehen ist, mittels der bei einem störungsbedingten Ausfall der Pumpe (6 bzw. 7) der Wassereinlaßschieber (4) selbsttätig schließbar ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsbehälter (1) auf einer künstlichen Insel im Gewasser angeordnet ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsbehälter (1) an einem verankerten Seefahrzeug auf der Gewässeroberfläche befestigt ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsbehälter (1) an einem Ufer des Gewässers angeordnet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Entspannungsbehältern (1) vorgesehen ist.